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1、EDA技术和FPGA设计综述,EDA第一讲,第一章 概述 第二章 FPGA设计综述,EDA（Electronic Design Automation ）即电子设计自动化,是将计算机技术应用于电子设计过程而形成的一门新技术，它就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，对以图形输入、硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段，形成的设计文件自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真，支持对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。,EDA的概念,20世纪70年代,MOS工艺的可编程逻辑器件问世,20世纪80年代,20世纪90年代,80年代末,CMOS工艺的复杂可编程逻辑器件应用,FPGA
2、，CAE和CAD技术广泛应用,超大规模可编程逻辑器件面世 EDA技术逐步成熟,EDA技术的发展,将数字系统的功能要求划分成许多模块。 对每一个模块画出真值表。 用卡诺图进行手工逻辑化简，写出布尔代数的表达式。 画出相应的逻辑线路图。 选择元器件，设计电路板。 进行实测和调试。,EDA技术与传统电子设计方法的比较,手工设计的方法,复杂的电路的设计和调试困难。 查找和修改错误十分不便。 设计过程中产生大量的文档，不易管理。 集成电路的设计和实现与具体的生产工艺相关，因此可移植性较差。,EDA技术与传统电子设计方法的比较续,手工设计的缺点,EDA技术与传统电子设计方法的比较续,采用硬件描述语言作为设
3、计输入 强大的系统建模、电路仿真功能 适应于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案 开发技术的标准化、规范化以及IP核的可利用性 对设计者硬件知识和硬件经验要求低,EDA技术的特点,利用电路的计算机辅助分析软件，采用硬件描述语言或原理图等输入方法对可编程逻辑器件进行软件仿真和硬件编辑。 缩短产品开发周期、降低成本, 且能最大限度地将设计资源应用到产品设计的各个环节,保证产品在性能、可靠性上适合工业化生产的各个方面 。 利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。 设计输入可以使用硬件描述语言 (HDL)，采用“自顶向下”的设计方法 ，为设计者提供了一个高效、便捷的设计环境 ，同时也
4、为充分发挥设计人员的创造性提供了条件。,使用EDA技术的优势,EDA技术被广泛的应用于数字系统的设计,EDA系统构成,EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计；涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此EDA技术研究的范畴相当广泛。 从FPGA开发与应用角度看，EDA系统应当包含以下五个子模块：1设计输入子模块、2设计数据库子模块、3分析验证子模块、4综合仿真子模块、5布局布线子模块等。 全球提供EDA软件工具的厂商有近百家之多，可以分为两大类：一类是EDA专业软件公司开发的通用EDA软
5、件工具，另一类是半导体器件厂商，为了销售公司产品开发的专用EDA软件工具。,通用EDA软件工具：具有良好的标准化和兼容性，与半导体器件厂商无关。通用EDA软件工具对硬件环境以及操作系统要求比较高，工具资金投入比较大。这些工具功能齐全、性能优良，涉及电子设计的许多领域，如数字电路设计、模拟电路设计、数模混合设计、通信系统设计、自动测试向量生成、仿真综合、仿真验证、电磁兼容设计、IC设计等。比较著名的EDA专业软件公司有：Cadence、Mentor 、Synopsys 等。 专用EDA软件工具：世界上比较有名的PLD器件厂商有Altera、Xilinx、Lattice、Actel、AMD等。这些
6、器件公司开发的EDA软件工具，只能用来开发本公司的PLD器件，这些工具一般都具有前面提到的5个基本模块，操作简单，对硬件环境要求低，资金投入小。专用EDA软件工具可以针对本公司器件的特点进行优化设计，在资源利用率、降低功耗、改善性能等方面都有优势。,EDA软件工具,现场可编程门阵列FPGA是一种数字集成电路：FPGA芯片内部有大量的逻辑块，这些逻辑块是可以编程的，逻辑块之间的连接称为互连资源，这些互连资源也是可以编程的。通过对逻辑块以及互连资源的编程可以实现各种数字电路、数字系统的设计。对FPGA的编程有各种不同的实现方式。 一次性编程OTP（One Time Programmable）器件：
7、只能实现一次编程，编程后形成的电路不可再次修改。 多次编程工艺的FPGA：可以进行重复擦除和编程操作，使修改设计变得非常方便。由于编程工艺不同，有的FPGA器件是非易失性的，关闭电源后，FPGA的编程信息仍然存在；有的FPGA则是易失性的，关闭电源后，FPGA的编程信息丢失。,什么是FPGA,选用FPGA的重要原因：传统数字集成电路规模小、缺乏灵活性；专用集成电路ASIC虽然规模大，但设计周期长、成本很高。 使用FPGA有很多优势：可以在实验室里随时对FPGA进行编程，比传统数字集成电路使用灵活，因此在设计灵活性方面FPGA具有很强的吸引力。由于FPGA的逻辑资源多，可以实现非常复杂的逻辑功能
8、，代替ASIC实现的功能，开发FPGA需要的设计成本很低，因此在逻辑资源和设计成本方面FPGA同样具有很强的吸引力。目前，使用FPGA进行电子系统设计的设计师越来越多。,为什么用FPGA,使用FPGA的条件,使用FPGA开展数字系统设计，必须具备如下几个基本条件：计算机、FPGA开发工具、FPGA芯片开发平台。硬件描述语言、FPGA芯片基本原理、FPGA开发工具的使用。具备上述条件，就可以尝试完成一些小系统的设计，有了一定的经验积累之后，就可以实现大系统的设计。本课程就是为FPGA开发应用感兴趣的学生开设的。,FPGA开发工具,全球专用EDA工具很多，这里只介绍目前设计师常用的针对FPGA开发
9、的专用工具。 Altera公司工具：MAX+plusII和QuartusII，工具易学易用，具有可视化界面、集成设计环境、工业标准的工具接口等。设计人员无需精通器件的内部原理，只需运用自己熟悉的输入方法进行设计，通过MAX+plusII和QuartusII把设计转换为器件下载所需要的文件格式。 Xilinx公司工具：早期的Foundation和目前的ISE 。根据PLD的设计流程，这些集成软件开发系统包含设计流程所需要的各种开发工具，如项目管理器、设计输入工具、逻辑综合工具、布局布线工具、下载编程工具以及IP Core产生工具等。 Lattice公司工具：公司已推出第四代开发软件ispDesi
10、gn EXPERT。在这之前，先后有pDS开发软件、ispSynario System 开发软件和ispEXPERT System开发软件，这些开发软件均可对该公司的所有ispLSI器件进行设计文件的输入、编译、仿真、下载。,FPGA设计资源,1.开始FPGA设计，首先面临的就是开发工具的选择。一般希望选择低成本或是免费开发工具和设计资源。根据FPGA芯片型号，可以选择该公司提供的FPGA设计工具。例如，选择Xilinx公司的FPGA芯片，可以使用该公司的开发工具ISE。选择Altera公司的FPGA芯片，可以使用该公司的开发工具QuartusII。 2.接着，是设计资源的选择。对于规模大且功
11、能复杂的FPGA设计，如果所有的设计都从头开始不切实际，效率低。解决方法可以是：通用模块的设计可以选择已有的设计模块，而把精力放在系统中独特的设计部分。已有的通用设计模块称为IP（Intellectual Property）核。,FPGA设计资源,3.IP核资源一般分为软核和硬核。软核指的是以硬件描述语言进行描述的设计模块，允许用户调用、或者重新定义性能参数的IP核。硬核指的是以版图形式描述的设计模块，由于硬核基于一定的设计工艺，设计者不能对其进行改动。目前，大量的IP产品已经开始销售和使用，各种微处理器、通用串行接口、中断控制器、并行输入输出接口、直接存储器存取、数字信号处理器、PCI总线以
12、及各种存储器等等都有其商品化的IP核可供选用。基于IP复用的开发给设计者带来了诸多的便利：节省时间、缩短开发周期、避免重复劳动。,FPGA设计过程中使用IP核的来源有三个方面：自行设计多年积累的IP核、FPGA厂商提供的IP核、第三方提供的IP核。 FPGA厂商提供的IP核有两类，一类免费，一类付费。免费资源已经集成在FPGA开发环境中，可以直接使用，设计者应当充分使用这类资源。付费资源可以从FPGA厂商网站上获得信息。 第三方提供的IP核也有免费和付费两类。免费IP核可以登录工业界的开源IP库网站：www.opencores.org，在Opencores网站中已经积累了算术单元、通信控制器、
13、协处理器、密码处理器、数字信号处理器、嵌入式处理器等大量的免费资源。这些资源的合理使用可以有效地提高FPGA设计效率。,IP核的来源,课程包括那些内容,今天在市场上看到的FPGA内部逻辑门的数量少则几万门，多则几百万门，型号多样，各成体系，且没有统一的规律。设计工具更是令人眼花缭乱。课程想向学生呈现FPGA开发流程，在实际系统设计中如何使用FPGA。课程内容由四个主要部分组成。 一、FPGA芯片，介绍芯片结构组成，通过Altera公司的一个实际FPGA芯片的讨论，了解FPGA的工作原理、编程方法。 二、FPGA开发工具，介绍工具组成和使用，通过实际工具QuartusII的介绍，了解FPGA的开发流程和工具使用。 三、FPGA芯片开发语言，通过VHDL介绍，学习电子系统的描述方法。 四、FPGA应用实例，通过实例学习FPGA的设计、验证、综合和实现。,
